MICRORREATORES

A utilização de microrreatores tem chamado a atenção, tanto no ambiente acadêmico quanto no meio industrial, pois permite a otimização de vários processos industriais e também permite que sejam utilizados para estudar a cinética intrínseca de reações.      

Sua principal característica é a grande razão entre a área superficial e volume nas suas regiões microestruturadas que contêm tubos ou canais. Uma largura típica de um canal é de 100 µm, com um comprimento de 20000 µm (2cm), a alta razão resultante reduz, ou mesmo elimina, as resistências à transferência de calor e de massa, frequentemente encontradas em reatores maiores. Dentro desses microdispositivos se faz necessário um íntimo contato entre as substâncias utilizadas, para que se tenha uma boa homogeneidade da mistura e uma distribuição uniforme de temperatura.

Eles são utilizados para a produção de produtos químicos especiais, exploração química combinatorial, laboratório em um chip e sensores químicos.

Microrreator. Fonte: 1° microrreator a produzir Biodiesel. Disponível em: https://www.blogs.unicamp.br/microfluidicaeengenhariaquimica/2017/04/28/1-microrreator-produzir-biodiesel/

Existe uma série de vantagens ao se utilizar microrreatores, alguns processos, quando postos em frente aos processos convencionais. Entre elas tem-se: a mudança de processamento em batelada para processamento contínuo, aproveitando melhor os reagentes e reduzindo os custos de produção. Outra vantagem bem importante é a criação de produtos que não podem ser fabricados de forma segura ou controlada de outra maneira, devido às taxas de reação muito elevada, reações altamente exotérmicas, reagentes perigosos ou intermediários tóxicos ou explosivos, pois com a reação feita em microrreatores ocorre a redução do volume total de matéria potencialmente perigosa, pois na ocorrência de um vazamento ou microexplosão em uma única unidade provocará um estrago mínimo, por causa da pequena quantidade de material envolvido.

Outras vantagens incluem um tempo menor de residência, distribuição e  produção em sistemas de microrreatores pode ser aumentada, simplesmente adicionando mais unidades em paralelo. A ampliação de escala de um microrreatores é facilitada quando comparada com ampliação de reatores tradicionais. Nestes reatores, a ampliação ocorre por meio do aumento do volume do vaso reacional, por isso se tem um grande desafio em garantir a mesma qualidade de agitação e de troca térmica. Isso não ocorre em microrreatores, pois a sua ampliação de escala pode ocorrer pelo aumento do número de microestrutura, com a instalação de outras unidades de microestruturas com as mesmas características daquela empregada na otimização do processo ou simplesmente processando a reação em um maior período de tempo para obter rendimento maior expressado em g/h.

Ampliação de escala em reatores tradicionais e microrreator. FONTE: Micro Reatores: Novas Oportunidades em Síntese Química. Disponível em: < http://rvq-sub.sbq.org.br/index.php/rvq/article/view/690 >
 

Tem-se também o maior controle do ambiente reacional, reduzindo os subprodutos da reação e o uso de aditivos, ao mesmo tempo aumentando a pureza do produto, reduzindo os custos devido a diminuição dos processos de separação posterior a reação e diminuição de perdas de energia e efluentes de processo.               

Um dos grandes pontos que contribui para um maior controle da reação é o excelente desempenho que eles apresentam em trocas térmicas, como ela é dependente da superfície interna do reator que está em contato com o meio reacional, quanto maior for a essa superfície mais eficiente será a troca térmica. Os reatores tradicionais, por terem uma considerável distância entre suas paredes e o seu centro, apresentam gradientes de temperatura. As regiões mais próximas das paredes, onde ocorre a troca térmica, apresentam temperaturas superiores às observadas nas proximidades do eixo do mecanismo de agitação. Este fenômeno não é observado nos microrreatores em virtude de grande proximidade que há entre suas paredes e o seu eixo central, o que lhe garante uma maior homogeneidade térmica em todo o seu volume.

Os microrreatores geralmente são confeccionados em aço, polímeros ou vidro, contendo, pelo menos, duas regiões distintas: a  zona de micromistura e zona de residência.

Eles também podem operar em diferentes regimes de fluxo, dependo do seu tamanho e da sua geometria. Os mais utilizados são o de fluxo laminar, fluxo em pistão e fluxo turbulento.

Tipos de fluxo no qual um microrreator pode operar. FONTE: Micro Reatores: Novas Oportunidades em Síntese Química. Disponível em: < http://rvq-sub.sbq.org.br/index.php/rvq/article/view/690 >
 

No fluxo laminar é característico para sistemas de baixa velocidade (líquidos mais viscosos), onde o escoamento acontece por meio de camadas paralelas, onde os fluidos só se misturam por difusão.

O fluxo turbulento, que tem como grande característica ser desordenado, gera um alto poder de mistura, produzido a partir do rompimento do regime laminar, através do aumento da velocidade ou a inserção de obstáculos dentro do tubo.

O fluxo em pistão acontece quando tratamos de condições bifásicas, podendo essas condições ser, fase orgânica/fase aquosa ou fase gasosa/fase líquida. Nesse regime, há a formação de microambientes (microbolhas) equidistantes entre elas, permitindo que as reações ocorram na interfase desses microambientes. Outro fenômeno que acontece nesse tipo de fluxo é a geração de microbolhas de uma fase imiscível em um fluido orgânico inerte, nessas microbolhas, que estão confinadas entre as paredes e o fluído orgânico, ocorrendo a mistura dos reagentes, fazendo com que a reação ocorra em um espaço isolado.

Dentre as várias técnicas que podem ser empregadas para realizar a  prototipagem de um sistema microfluido, para o seu teste e posterior otimização e fabricação para futuras aplicações industriais, boa parte das técnicas de prototipagem de um sistema microfluídico estão baseadas na utilização de um molde mestre e a produção dele, normalmente é a etapa mais problemática em termos de custo e tempo de fabricação, as mais utilizadas são:

Esquema das técnicas que podem ser aplicadas nos processos de fabricação de um microrreator. FONTE: Micro Reatores: Novas Oportunidades em Síntese Química. Disponível em: < http://rvq-sub.sbq.org.br/index.php/rvq/article/view/690 >

Microrreatores de vidro e ação são utilizados devido a sua elevada estabilidade superficial, resistência à pressão interna elevada e compatibilidade com solventes orgânicos e vários reagentes agressivos.

Os microrreatores vem com uma nova ferramenta dentro da engenharia de reações químicas, para auxiliar a resolver problemas de reações muito instáveis, bem como contribui para o melhoramento de diversificadas reações, por isso vem se estudando cada vez mais essa tecnologia com o intuito de aprimora-la.

REFERÊNCIAS:

FOGLER, H. S. Cálculo de reatores: o essencial da engenharia das reações químicas. 1 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.

Desenvolvimento e Avaliação de Microreatores: Aplicação para Produção de Biodiesel. 

Micro Reatores: Novas Oportunidades em Síntese Química.

Projeto e fabricação de microrreatores para síntese de biodisel com aproveitamento de calor rejeitado. 

1° microrreator a produzir Biodiesel.